人工溪流可以教会我们关于昆虫、藻类和我们不断变化的气候的知识

Water flows through a series of concrete channels that zig-zag across a dry, grassy mountainside. In the foreground, Two researchers are placing a wood-framed mesh grid into one of the channels to prevent fish from entering the experiment. Snowy mountain peaks rise up in the background. Two individuals lean over a concrete-lined stream bed. One is reaching out to pick something out of a white mesh net. Two black birds stand on rocks within a concrete-lined stream bed. A close-up of a small, tan-colored insect that has landed on a wire grid. Five people take a group selfie with a view of snow-capped peaks in the background.

一个人工溪流网络正在向科学家传授加州的山区水道——以及依赖它们的生态系统——如何受到更温暖、更干燥的气候的影响。

在接下来的一个世纪里，气候变化预计将减少内华达山脉的降雪量。较小的积雪，加上温暖的条件，将使每年的融雪提前到一年中，在炎热的夏季为溪流和河流提供的水更少。预计到2100年，山间溪流将比现在平均提前六周达到其年度基数或“低流量”条件。

在加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley）的一项新研究中，研究人员在加利福尼亚州猛犸湖（Mammoth Lakes）的Convict Creek附近使用了一系列九个人工河道，以模仿当前条件和未来气候变化情景下源头溪流的行为。

在一个夏天的时间里，研究人员监测了在河道内和周围生长的藻类、水生昆虫和其他生物的种群。他们发现，改变低流量条件的时间也改变了许多这些生物的生命周期以及不同物种的相对丰度。它还导致蠓（主要昆虫群）的脉冲数量几乎翻了一番。

然而，由于物种以各种方式适应了变化，河流生态系统通常对不断变化的条件具有弹性。

“我们很惊讶地看到生物多样性如何稳定生态系统的如此明显的例子，”该研究的第一作者、加州大学伯克利分校Ruhi实验室的研究生Kyle Leathers说。“这类似于拥有一个平衡的金融投资组合 – 因为不同的物种以不同的方式应对变暖，河流的物种越多，变暖就越可能不会对生态系统过程产生重大影响，而生态系统过程对更广泛的食物网至关重要。

该研究今天发表在《美国国家科学院院刊》杂志上。

A series of three, one-meter wide concrete channels zig-zag across a dry, grassy mountainside of California’s Eastern Sierra Nevada. The snowy peak of a mountain is visible in the background. — 蜿蜒曲折的河道，每条长50米，宽1米，就像一条山源溪流。这些渠道从附近的 Convict Creek 转移淡水，并配备了闸门来控制流经每个渠道的水量。

改变季节的节奏

生态系统过程遵循自然的季节性节律，动物、植物和其他生物适应这些季节变化。例如，水生昆虫沿着固定的发育时间表分散、繁殖和生长——它们的成功取决于水温和营养物质可用性等因素。同样，它们的捕食者也被提示在一年中的特定时间期待丰富的昆虫种群。

Leathers和高级研究作者、加州大学伯克利分校环境科学、政策和管理副教授Albert Ruhi希望了解早期的低流量溪流条件如何影响这些自然节律。

“当你只研究年平均值时，你可能无法了解完整的故事，因为重要的变化正在更精细的范围内发生，”Ruhi说。

由加州大学内华达山脉水生研究实验室维护的人工河道系统为研究这些精细尺度的变化提供了理想的场所。这些渠道最初由美国鱼类和野生动物管理局的研究人员建造，从附近的Convict Creek转移淡水。九条河道中的每一条都长50米，宽1米，大约有一条小山涧那么大，并配备了一个闸门来控制流经河道的水量。

室外河道允许昆虫、藻类和其他营养物质自然定殖。它们还反映了温度、溶解氧和其他变量的自然波动——所有这些都可以通过现代传感器进行监测。

“在这种规模下，这是唯一一个使用天然水而不是循环水的系统，而且水来自流域的实际融雪。Ruhi说：“我们可以通过比较天然水道中的干旱和潮湿年份来进行类似的研究，但在自然界中，几乎不可能有九条附近的相同溪流，其中一些溪流流量较低，而另一些则没有。

Water flows through a series of concrete channels that zig-zag across a dry, grassy mountainside. In the foreground, a person sits on the edge of one of the channels watching a white contraption that is floating in the water. Snowy mountain peaks rise in the background. — Kyle Leathers 带有一个自制的装置，用于捕捉昆虫从若虫阶段（它们在水中度过）到成虫阶段（它们在陆地上或空中飞行）出现时。研究人员使用PVC管和网状物建造了该装置，并添加了泳池面条以帮助其漂浮。

在2019年夏天，研究人员设置了九个渠道中的三个，以模拟从8月初开始的低流量条件，这是该地区溪流通常达到低流量的时候。他们在三周前，即7月初，将另外三个通道设置为低流量，并在六周前，即6月中旬，将最后三个通道设置为低流量。

随着夏季的到来，Leathers和研究小组的其他成员定期测量各种溪流条件，从水温和溶解氧水平到溪流通道中的昆虫数量。他们发现，随着水温升高、藻类新陈代谢的变化和昆虫的提前出现，这些通道几乎立即对低流量条件做出反应。

这些转变不仅可能对鱼类产生重大影响，还会对鸟类、蝙蝠和蜥蜴等陆生捕食者产生重大影响，这些捕食者依靠水生昆虫的豆类作为食物。例如，蠓的繁荣吸引了附近的布鲁尔黑鸟，它们收集了营养丰富的昆虫来喂养它们的幼崽。

“值得注意的是，尽管在广泛的生态系统层面上是稳定的，但即使是微小的变化也可能是后果性的，”Ruhi说。“我们没想到，早期的融雪会控制大量的溪流昆虫，导致更早、更丰富的飞虫脉冲，进而吸引河岸鸟类。这种跨生态系统的联系是我们没有想到的，我们永远不会在实验室环境中捕捉到。它强调了时机就是一切。

儒禧实验室现在正在扩展这项工作，以了解气候变化如何导致水生食物网中的错配或新匹配。

“生态学家经常认为气候变化会导致捕食者与猎物的不匹配，因为捕食者和它们的猎物以不同的速度甚至不同的方向改变它们的生命周期，导致捕食者挨饿，”Leathers说。“新奇匹配的概念可能被低估了，但很重要。

其他合著者包括内华达山脉水生研究实验室的David Herbst和加州大学伯克利分校的Guillermo de Mendoza和Gabriella Doerschlag。这项研究得到了红杉公园保护协会、加州大学瓦伦丁分校东部塞拉保护区和玛格丽特·沃克基金会的支持。

Water flows through a series of concrete channels that zig-zag across a dry, grassy mountainside. In the foreground, a wood-framed metal screen is partially submerged in one of the channels, so that water can flow through it. In the distant background, two people can be seen working near one of the channels. — 室外河道允许昆虫、藻类和其他营养物质自然定殖。它们还配备了传感器，用于监测水的温度和溶解氧水平的自然波动。前景中的木框屏风可防止鱼类进入通道。

新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://news.berkeley.edu/2024/03/18/what-artificial-streams-can-teach-us-about-insects-algae-and-our-changing-climate